Введение, основные понятия презентация

Учебно-научная литература по проблемам наноматериалов и нанотехнологий
Н. Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007
У. Хартманн. Очарование нанотехнологии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008
Э.Г.Раков. Нанотрубки и фуллерены. М.: Логос. 2006
Г.Б.Сергеев. Нанохимия. М.: КДУ. 2007
Р.А.Андриевский и др. Наноструктурные материалы. М.: ACADEMA. 2005
А.В.Федотова и др. Нанотехнологии и их использование в упаковочной отрасли. М.: МГУПБ. 2008
Мир материалов и технологий
Нанотехнологии. Азбука для всех
Бенда А.Ф. «Материалы нанотехнологий в полиграфии» часть 1, 2013 г, часть 2 и 3 2014г., часть 4 2015г. Введение в материалы нанотехнологий. Углеродные наноструктуры

Исторические предпосылки нанотехнологий
Тот факт, что мелкие частицы различных веществ обладают иными свойствами, чем это же вещество с более крупными размерами частиц, был известен давно.
Люди занимались нанотехнологиями и не догадывались об этом. Говорить о осознанном использовании таких технологий нельзя, поскольку секрет производства просто передавали из поколения в поколение, не вдаваясь в причины уникальных свойств, которые приобретают материалы.
Одним из самых древних примеров нанотехнологий являются цветные стекла, окрашенные наночастицами металлов, технология была известна еще в Древнем Египте. Эта технология дожила до наших дней, войдя в основу окраски кремлёвских звезд. Рубиновое стекло представляет собой наночастицы золота, «распределённые» в высококачественном стекле.

.
Исторические предпосылки нанотехнологий
Наночастицы золота обладают каталитическими, оптическими ферромагнитными свойствами, способностью к самосборке. Они хорошо поглощают и рассеивают свет, нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы, что делает их перспективными материалами для создания целого спектра устройств – от средств диагностики до различных сенсоров, устройств волокнистой оптики и компьютерных наносхем. Благодаря указанным свойствам наночастицы золота могут играть роль удобного, универсального модельного объекта для ознакомления с основными методами и понятиями науки о носителях.
Наночастицы золота могут иметь разнообразные формы. Наиболее известны наносферы различного диаметра, но могут быть и другие многообразные несферические анизотропные нанообразования.

Разнообразие форм
1- нанобоксы, 11 – нанокубы; 111 – наносферы; 4 – нанозвезды; 5 – наноголовастики; 6 – нанокоробки; 7 – наногексагоны; 8 – несферические нанообразования; 9, 10– нанотреугольники

.
Исторические предпосылки нанотехнологий
Анизотропные наночастицы отличаются своей удивительной способностью к самоорганизации (самосборке) – спонтанному и обратимому процессу образования организованных структур. Такая организация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов по типу технологии «снизу-вверх».
Наночастицы серебра размером до 10 нм способны не только адсорбироваться на клеточной мембране, но и проникать внутрь бактерии. Бактерицидное действие серебра связывают с образованием ионов Ag+ при окислении металла. Особое значение имеет форма наночастиц. Считается, что грань (111) в декаэдрах и икосаэдрах из которых состоит 98% наночастиц с размерами 1 – 10 нм, обладает высокой химической активностью, присутствие этой грани усиливает антибактериальное действие наночастиц.

Основные понятия и терминология
Нано – перевод с греческого – карлик
Нано – одна миллиардная часть = 10-9
в данном курсе как правило будет применяться по отношению к единице длины: 1 нм = 10-9 м
На отрезке длиной в 1 нм можно расположить 8 атомов кислорода.
Нанообъекты
1÷100 нм
Мезообъекты (субмикро)
0.1 мкм ÷ 1 мкм
Микрообъекты
1 мкм ÷ 100 мкм
Макрообъекты
> 0.1 мм
Размерность нанообъектов

Нанокомпозиты: структурированные наночастицы в металлической или полимерной матрице
Супрамолекулярные структуры: ансамбли сложных молекул

Наноматериалы
вещества и композиции веществ (органические, неорганические, биологические),
представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов
с нанометрическими размерами (часто по одному из измерений)
и особым проявлением физических и (или) химических взаимодействий,
обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности
механических,
химических,
электрофизических,
оптических,
теплофизических и других свойств,
не характерных для объемных структур такого же состава.

Основные понятия и терминология
Нанонаука — система знаний о свойствах вещества в нанометровом масштабе
Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Кондратьевские циклы
Текстиль
уголь
Металлургия
Паровой двигатель
Тяжелое машиностроение
электроэнергия
Автомобили
Химическая промышленность
нефть
Электроника
Лазеры
телекоммуникации
NBIC
революции
депрессия
кризисы
Технические
изобретения

Терминология
Наноинженерия – поиск эффективных методов применения наноматериалов
Наноструктурированные и наноконсолидированные материалы – материалы с микро- и макроскопическими размерами, построенные (структурированные) из отдельных нанообъектов – нанокерамика, нанопористые материалы и др.
Нанотехнология – совокупность методов, позволяющих целенаправленно создавать нанообъекты с заранее заданными составом, размерами и структурой.
Выделяют нанотехнологии трех направлений:
«мокрая»,
«сухая»
компьютерная.

Основные понятия и терминология
«Мокрая» нанотехнология изучает биологические системы, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток.
«Сухая» нанотехнология сосредоточена на получении структур из углерода, кремния, различных металлов и из неорганических материалов (например, нанотрубки). Конечная цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию.
Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить период создания нанообъектов и финансовые затраты.

Основные понятия и терминология
Нанообъекты — многочастичные системы, основу которых составляют индивидуальные наночастицы. Употребляют равнозначные термины: «нанокристалл», «наносистема», «наноструктура», «нанофаза», «нанокомпозиты».
Основу всех названных объектов составляют индивидуальные, изолированные наночастицы.
Объектами нанотехнологии могут быть:
фуллерены,
нанотрубки,
атомные и молекулярные кластеры,
нанокомпозиты,
микропористые материалы,
фотонные кристаллы,
тонкие пленки и поверхностные слои,
микроэмульсии,
жидкие кристаллы,
ультрадисперсные порошки,
биомембраны и т.д.

Характеристики наноразмерных объектов
Размер по одному из измерений < 100 нм
Новые свойства по сравнению с объемным телом
Высокая реакционная способность
Квантовые и туннельные эффекты
Самоорганизация и самосборка
Специфическое взаимодействие с живыми системами

Сканирующий оптический микроскоп
Е

Важнейшие причины нанобума
Н

Искусственные наноматериалы
Н

Нанообъекты в природе
Строение лап геккона

Нанообъекты в природе
Строение крыла бабочки

Физические основы нанотехнологий
Н

Описание движения в классической механике
ЧАСТИЦА (движение точки) ВОЛНА (модель волны)

Корпускулярно-волновой дуализм света
Модель света
Доказательства
корпускулярной
природы
Линейные
спектры
излучения и
поглощения
Фотоэффект

Световые кванты (Е = hν)
Эмпирическая формула
«… кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура
энергии, управляемая универсальной постоянной h, введенной Планком. Это открытие стало
основой всех исследований в физике ХХ века с тех пор почти полностью обусловило ее развитие»
А. Эйнштейн

Фотоэффект
Н

Квантовая теория фотоэффекта
А. Эйнштейн, нобелевская премия 1921 г.
mv2/2 =0, или hνmin = А; откуда νmin = h/А

Модель атома водорода
Н

Волновые свойства частиц
Н

Описание движения в квантовой механике
Соотношение неопределенностей Гейзенберга

Энергия в классической и квантовой механике
Н

Энергия электрона в кристалле
Вследствие взаимодействий с большим числом атомов в кристалле электрон может иметь не отдельные разрешенные уровни энергии, как в изолированном атоме, а зоны энергий. Энергии электронов валентных оболочек атомов образуют валентную зону Еv, энергия не связанных с атомами электронов – свободную зону Ес (зону проводимости). Значение энергии, соответствующее запретной зоне Еg, не может иметь ни один электрон в кристалле.
В кристалле существуют не изолированные свободные электроны, а квазичастицы-волны, обладающие эффективной массой m (от 0,1 до 2 масс свободного электрона) и квазиимпульсом. Это – электроны проводимости e и незаполненные места валентных оболочек атомов -дырки h.

Основные понятия и терминология
Наночастицы — высокодисперсные частицы
размером менее 100 нм хотя бы в одном
измерении с заданной структурой и свойствами.
Примеры наночастиц: фуллерены, квантовые точки
Модель наночастицы-мицеллы
Наночастицы под микроскопом

Квантовые точки - это искусственные атомы, свойствами которых можно управлять. Ж.И. Алферов, лауреат Нобелевской премии 2000г.
Квантовые точки – это изолированные нанообъекты, свойства которых отличаются от свойств объемного материала такого же состава.
Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. Связано это с невозможностью формирования полностью обособленных структур – малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.
Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали в древнем Египте для окрашивания различных стекол.
Традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe.
Основные понятия и терминология
Рис. Объёмное изображение квантовой точки.

Основные этапы развития нанотехнологий
29.12.1959 г. – лекция нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана (Как много места там, внизу. В миниатюризацию)
Раскрыл перспективы изготовления материалов и устройств на атомарном и молекулярном уровне.
Отметил возможность использования атомов в качестве строительных частиц.
Указал на необходимость в создании нового класса измерительной аппаратуры, которая могла бы стать "глазами" и "руками" исследователей наномира.

Основные этапы развития нанотехнологий
1974 г. – Введение японским ученым
Норио Танигучи в обиход термина
«нанотехнология»
Heinrich Rohrer
Gerd Binnig
1981 г. – Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в Швейцарском отделении фирмы IBM (Нобелевская премия – 1986 г.
Heinrich Rohrer и Gerd Binnig)
1981 г. - Работа Эрика Дрекслера "Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии»:
- развитие идей Фейнмана
- особое внимание уделил стратегии
создания наноструктур "снизу-вверх"
- на основе биологических моделей
ввел представление о молекулярных робототехнических машинах.
Eric Drexler
Норио Танигучи

Основные этапы развития нанотехнологий
1982-1985 гг. – Достижение атомарного разрешения при исследовании топографии поверхности с помощью СТМ
1985 г. – Открытие фуллерена тремя американскими химиками (Ричард Смэлли, Роберт Карл и Хэрольд Крото - Нобелевские лауреаты 1996 г.) —Эти ученые впервые сумели измерить объект размером 1 нм.
1986 г. – Герд Бинниг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп, позволивший визуализировать атомы любых материалов (не только проводящих), а также манипулировать ими.
Поверхность Si(111)7x7, АСМ
C60
C70

Основные этапы развития нанотехнологий
1990 г. – Научились манипулировать единичными атомами
1991 г. – Открытие нанотрубок японским учёным Сумио Лиджима.
Он использовал фуллерены для создания углеродных трубок (нанотрубок) диаметром 0,8 нм.

Краткая хронология основных достижений в рассматриваемой области

Нанотехнологии как третья научно-техническая революция
На 1-ом этапе до 2004 г. лишь некоторые нанотехнологии находили применение в высокотехнологичных материалах.
На 2-ом этапе, который характеризовался прорывом в области нанотехнологических инноваций и длится до настоящего времени, доминирует наноэлектроника.
На 3-ем этапе нанотехнологии будут широко применяться в медицинских и биотехнологических материалах и станут проникать в фармацевтику и медицинское оборудование и другие отрасли, в т.ч. в полиграфию и упаковку.
В ближайшей перспективе прогнозируется рост применения нанотехнологий в
электронике (30,3%),
медицине (56,2%)
в потребительской сфере (45,9%).

Нанотехнологии как третья научно-техническая революция
Прогноз развития рынка нанотехнологий в будущем

По мнению экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо.
Нанотехнологии базируется на технологическом, машиностроительном, производственном и научном обеспечении процессов, связанных с управлением атомами и молекулами.
Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений.
С помощью нанотехнологий можно постоянно повышать уровень и качество жизни.
Квантовый характер нанотехнологических процессов делает их в высшей степени наукоёмкими и стимулирует развитие таких направлений, как вычислительные разделы химии, физики, биологии, электроники, многоуровневое математическое моделирование.
Нанотехнологии как третья научно-техническая революция

Нанотехнологии как третья научно-техническая революция

"Введение в нанотехнологии"
Нанонаука и нанотехнология

Развитие нанотехнологий за рубежом
В 1998 году объем инвестиций на развитие нанотехнологии был на низком уровне.
В США в 2000 г. первоначально на исследования было выделено 270 млн. долл., в 2001 г. американские нанотехнологии освоили уже 770 млн. долл., на следующий год финансирование составило 849 млн. долл., а в последующие три года вложения составили 2,4 млрд. долл. Большая часть этих инвестиций поступает в Национальный научный фонд США, министерства обороны и энергетики.
Китай в 2002 г. году израсходовал на наноисследования 200 млн. долл., Япония — 750 млн., а в 2003 году ее инвестиции в нанотехнологии достигли миллиарда долларов.
В наст. время инвестиции растут в геометрической прогрессии.

Развитие нанотехнологий за рубежом

Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на 2015-2016 гг.
К продуктам нанотехнологий относят:
наноструктурированные объекты, которые состоят из объемов с различными электрическими, оптическими, магнитными, акустическими свойствами и предназначены для создания приборов и устройств;
массивные объекты (материалы), в структуре которых имеются наноразмерные частицы, придают им особые механические свойства;
сами наноразмерные частицы, обладающие уникальными комбинациями механических и физических свойств.

Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на 2015-2016 гг.
В России на 2007 - 2012 гг. выделено 134 млд руб. (около 5 млд долларов)

Раздел рынка нанотехнологий по направлениям
Новые материалы 30-35 %
Полупроводники 18-25 %
Устройства хранения данных 15-20 %
Биотехнологии 9-14 %
Полимеры 8-12 %
Электрохимия 3-5 %
Оптика 2-4 %
Раздел рынка нанотехнологий по странам
США 40-45 %
Япония 25-30 %
Европа 15-20 %
Азия 5-10 %